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Li-ion

in FAQ´s 14.04.2012 04:34
von Benny (gelöscht)
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Lithium-Ionen-Akkumulator aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Wechseln zu: Navigation, Suche Ein Lithium-Ionen-Akkumulator (auch Lithium-Ionen-Akku, Li-Ion-Akku, Li-Ionen-Sekundärbatterie, Lithium-Akkumulator oder kurz Li-Ion; [ˈliːtiʊm], oft fälschlich [ˈliːtsiʊm] ausgesprochen, also mit s-Laut) ist der Oberbegriff für einen Akkumulator auf der Basis von Lithium.

Da die ersten verfügbaren Lithium-Ionen-Akkumulatoren mit Lithium-Cobaltdioxid (LiCoO2) als Elektrodenmaterial arbeiteten, hatte sich der Begriff als allgemeine Bezeichnung eingebürgert. Da es nach der Entwicklung zahlreicher weiterer Elektrodenmaterialien auf Lithiumbasis immer wieder zu Missverständnissen führt, sollte auch im allgemeinen Sprachgebrauch der Begriff nur noch für die gesamte Gruppe der Lixx-Akkumulatoren verwendet werden und bei speziellen Angaben die korrekte Bezeichnung angegeben werden.

Geschichtliches ]Bereits in den 1970er Jahren wurden an der TU München das grundlegende Funktionsprinzip der reversiblen Alkalimetall-Ionen-Interkalation in Kohlenstoff-Anoden und oxidische Kathoden . sowie dessen Anwendung in Lithium-Batterien erforscht und veröffentlicht, auch wenn hier das Funktionsprinzip der Verwendung von Halbleitern, insbesondere Siliziummaterialien, als Elektroden nicht erkannt wurde.

Der Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator, auch LiCoO2-Akku, auch Lithiumcobaltdioxid-Akkumulator, war die erste verfügbare Elektrodenchemie eines Lithium-Ionen-Akkumulator. Die Brauchbarkeit als Elektrodenmaterial wurde 1980 von einer Forschergruppe um John B. Goodenough an der University of Oxford entdeckt. Die positive Elektrode besteht aus der namensgebenden Substanz Lithium-Cobalt(III)-oxid.

Im November 1989 wurde in Deutschland ein Patent für einen Lithium-Ionen-Akkumulator angemeldet sowie im folgenden ein Versuchsmuster angefertigt und erfolgreich getestet. Die deutsche Industrie zeigte damals allerdings kein Interesse an der Weiterentwicklung. Der erste kommerziell erhältliche Li-Ionen-Akku wurde als Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator von Sony im Jahr 1991 auf den Markt gebracht und in der Hi8-Videokamera CCD TR 1 eingesetzt. Die Batterie besitzt mit zwei seriell verschalteten Zellen eine Zellspannung von 7,2V und eine Kapazität von etwa 1200mAh. Durch Parallelschaltung oder Zellvergrößerung wurden Kapazitäten bis 6900mAh realisiert und bis heute (2012) in einer Vielzahl von Sony-Geräten eingesetzt. Auf Grund der schnellen Verbreitung dieser Zellchemie im Konsumerbereich wurde in der Folge diese Akkumulatorenart oft mit dem Oberbegriff Lithium-Ionen-Akku assoziiert, was vermieden werden sollte.

Anwendungsbereiche Li-Ionen-Akkus versorgen tragbare Geräte mit hohem Energiebedarf, für die herkömmliche Nickel-Cadmium- beziehungsweise Nickel-Metallhydrid-Akkus zu schwer oder zu groß wären, beispielsweise Mobiltelefone, Digitalkameras, Camcorder, Notebooks, Handheld-Konsolen oder Taschenlampen. Sie dienen bei der Elektromobilität als Energiespeicher für Pedelecs, Elektro- und Hybridfahrzeuge. Auch im RC-Modellbausektor haben sie sich etabliert. Durch ihr geringes Gewicht bilden sie, in Verbindung mit bürstenlosen Gleichstrommotoren und den entsprechenden Reglern, eine im Flugmodellbau verwendete Antriebseinheit. Auch werden Lithium-Ionen-Akkus bei Elektrowerkzeugen wie zum Beispiel Akkuschraubern und bei Gartengeräten verwendet.

Allgemeines Die Li-Ionen-Akkus zeichnen sich durch hohe Energiedichte aus. Sie sind thermisch stabil und unterliegen keinem Memory-Effekt. Je nach Aufbau bzw. den eingesetzten Elektrodenmaterialien werden Li-Ionen-Akkus weiter untergliedert: der Lithium-Polymer-Akkumulator, Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator (LiCoO2), Lithium-Titanat-Akkumulator, der Lithium-Luft-Akkumulator, der Lithium-Mangan-Akkumulator, der Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator (LiFePO4) und der Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen-Akkumulator.

Allgemeines [Bearbeiten]
Die Li-Ionen-Akkus zeichnen sich durch hohe Energiedichte aus. Sie sind thermisch stabil und unterliegen keinem Memory-Effekt. Je nach Aufbau bzw. den eingesetzten Elektrodenmaterialien werden Li-Ionen-Akkus weiter untergliedert: der Lithium-Polymer-Akkumulator, Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator (LiCoO2), Lithium-Titanat-Akkumulator, der Lithium-Luft-Akkumulator, der Lithium-Mangan-Akkumulator, der Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator (LiFePO4) und der Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen-Akkumulator.
Prinzip
Im Lithium-Ionen-Akku wird die elektrische Energie in Lithium-Atomen (an der negativen Elektrode) und (zumeist) Übergangsmetall-Ionen (an der positiven Elektrode) in einem chemischen Prozess mit Stoffänderung gespeichert. Das unterscheidet den Li-Ion-Akku vom Lithium-Ionen-Kondensator, bei dem die Speicherung der elektrischen Energie ohne Stoffänderung erfolgt. Im Li-Ion-Akku kann Lithium in ionisierter Form durch den Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden hin- und herwandern. Daher kommt auch der Name des Lithium-Ionen-Akkus. Im Gegensatz zu den Lithium-Ionen sind die Übergangsmetall-Ionen ortsfest.
Dieser Lithium-Ionen-Fluss ist zum Ausgleich des externen Stromflusses beim Laden und Entladen nötig, damit die Elektroden selbst (weitgehend) elektrisch neutral bleiben. Beim Entladen geben Lithium-Atome an der negativen Elektrode jeweils ein Elektron ab, welches über den externen Stromkreis zur positiven Elektrode fließt. Gleichzeitig wandern gleich viele Lithium-Ionen durch den Elektrolyten von der negativen zur positiven Elektrode. An der positiven Elektrode nehmen aber nicht die Lithium-Ionen das Elektron wieder auf, sondern die dort vorhandenen und im geladenen Zustand stark ionisierten und daher recht „elektronenhungrigen“ Übergangsmetallionen. Je nach Akkutyp können das Kobalt-, Nickel-, Mangan-, Eisen-Ionen usw. sein. Das Lithium liegt im entladenen Zustand an der positiven Elektrode somit weiterhin in Ionen-Form vor.
Da an der negativen Elektrode das Lithium nicht ionisiert ist, wäre es optimal, die negative Elektrode aus Lithium-Metall zu konstruieren. Das ist in der Praxis jedoch problematisch: Aufgrund der Deckschichtbildung wird Lithium nicht als kompaktes Metall, sondern dendritisch abgeschieden. Dieser fein verteilte Lithium-Schwamm ist hoch reaktiv. Zudem können Dendriten den Separator perforieren, zur positiven Elektrode durchwachsen und somit die Zelle kurzschließen.
Daher werden die (relativ kleinen) Lithium-Atome in einem anderen Stoff eingelagert, meist Graphit, wo sie sich zwischen den Graphitebenen (nC) einlagern. Man spricht von einer Interkalationsverbindung (LixnC). Wesentlich für das Funktionieren der Interkalation ist die Ausbildung einer schützenden Deckschicht auf der negativen Elektrode, die für die kleinen Li+-Ionen durchlässig, für Lösungsmittelmoleküle jedoch undurchlässig ist. Ist die Deckschicht ungenügend ausgebildet, kommt es zur Interkalation von Li+-Ionen mitsamt den Lösungsmittelmolekülen, wodurch die Graphitelektrode irreversibel zerstört wird.
Aufbau
Das aktive Material der negativen Elektrode eines gängigen Li-Ionen-Akkus (2010) besteht aus Graphit. Die positive Elektrode enthält meist Lithium-Metalloxide, wie LiCoO2 (Lithiumcobaltdioxid), LiNiO2 oder LiMn2O4.
Das Innere eines Lithium-Ionen-Akkumulators ist völlig wasserfrei (Gehalt an H2O < 20 ppm), an etwaigen Beschädigungen eindringendes Wasser reagiert unter starker Wärmeentwicklung mit Brand- und Verpuffungsgefahr. Der Elektrolyt besteht aus in aprotischen Lösungsmitteln wie Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat oder 1,2-Dimethoxyethan gelösten Lithiumsalzen wie LiPF6.
An Materialien werden unter anderen folgende verwendet:
Negative Elektrode
• Graphit (Interkalation von Lithium)
• nanokristallines, amorphes Silizium (Interkalation von Lithium)
• Li4Ti5O12 (Lithium-Titanat-Akku)
• SnO2 Zinndioxid
Elektrolyt
• Salze, wie LiPF6 (Lithiumhexafluorophosphat) oder LiBF4 (selten) in wasserfreien aprotischen Lösungsmitteln (z. B. Ethylencarbonat, Diethylcarbonat etc.)
• Polymer aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropen (PVDF-HFP)
• Li3PO4N Lithiumphosphatnitrid
Positive Elektrode
• LiCoO2
• LiNiO2
• LiNi1−xCoxO2
• LiNi0,85Co0,1Al0,05O2
• LiNi0,33Co0,33Mn0,33O2
• LiMn2O4 Spinell
• LiFePO4 (Lithium-Eisenphosphat bei dem Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator)
Reaktionsgleichungen
Negative Elektrode (Entladen):

Positive Elektrode (Entladen):

Redox-Gleichung:

Metallisches Lithium kommt in keiner Reaktion vor, jedoch sind es, mit Ausnahme des Lithium-Titanat-Akkus, Lithium-Atome, nicht -Ionen, die an der negativen Elektrode in das Elektrodenmaterial interkaliert werden.
Herstellung
Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind besonders wegen des "Nationalen Entwicklungsplans Elektromobilität" der Bundesrepublik in den Blickpunkt der Öffentlichkeit gelangt. Es werden von den Hochschulen und der Industrie große Anstrengungen unternommen, um möglichst rasch die vielfältigen Probleme zukünftiger „Autobatterie“ zu lösen. Im Rahmen der Messe „productronica 2011“ in München wurde dazu eine Sonderschau „Batteriefertigung“ gezeigt, die in enger Zusammenarbeit mit dem Fachverband Productronic im VDMA, der RWTH Aachen, dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie und führenden Unternehmen gestaltet wurde. Ein Film dieser Sonderschau, der die Fertigung von Lithium-Ionen-Akkumulatoren von der Beschichtung des Elektrodenmaterials bis hin zum fertigen Modul zeigt, wurde von der Fachzeitschrift „Elektronikpraxis“ ins Internet gestellt.
Eigenschaften
Wegen der Vielzahl an möglichen Materialien für Anode, Kathode und Separator ist es schwierig, allgemeingültige Aussagen für Lithiumionakkus zu treffen. Hinzu kommt die fortwährende Verbesserung durch die Batteriehersteller, die in den letzten Jahren insbesondere auf den bekannten Problemfeldern wie Haltbarkeit und Sicherheit erhebliche Verbesserungen erzielen konnten, während die Energiedichte nur in vergleichsweise geringem Umfang erhöht wurde.
Kein Memory-Effekt
Selbstentladung
siehe Hinweise zum Umgang mit Li-Ionen-Akkus, Unterpunkt Lagerung /Selbstentladung.
Lebensdauer
Die Lebensdauer eines Lithium-Ionen Akkus kann als Zyklenlebensdauer und als kalendarische Lebensdauer betrachtet werden. Zur kalendarischen Lebensdauer, die beschreibt wie viele Jahre ein Akku hält, sind nur wenig Informationen verfügbar, da die Technologie noch nicht lange genug im großflächigen Einsatz ist, bzw. weil die Zyklenhaltbarkeit dominiert. Die kalendarische Lebensdauer spielt somit vor allem bei längerer Lagerung eine Rolle.
Die Zyklenlebensdauer ist abhängig von Art und Qualität des Akkus, sowie von drei externen Faktoren: Temperatur, (Ent-)Ladehub und Laderate (C-Rate). Bei hohen Temperaturen verringert sich die Zyklenhaltbarkeit drastisch, weshalb der Akku am besten bei Raumtemperatur verwendet werden sollte. Niedrige Temperaturen während des Betriebs, nicht jedoch während der Lagerung, sind ebenfalls schädlich. Durch flaches Laden und Entladen wird die Haltbarkeit stark verbessert, da bei vollständig entladenem und vollständig geladenem Akku hohe Belastungen für die Elektroden entstehen. Der Kapazitätsverlust eines Akkus ist des Weiteren proportional zur Laderate, die wiederum von der Stromstärke abhängt.
Die Mehrheit der in Endverbrauchergeräten verbauten Lithium-Ionen-Akkus der ersten Generationen hatte nur eine kurze Lebensdauer. Teilweise konnte der Nutzer schon nach einem Jahr erheblichen Kapazitätsverlust feststellen; nach zwei bis drei Jahren war so mancher Lithium-Ionen-Akku bereits unbrauchbar geworden. Dabei stellte sich heraus, dass der schleichende Kapazitätsverlust weniger von der Zahl der Lade- und Entladezyklen, sondern vor allem von den Lagerbedingungen abhing: Je höher die Temperatur und je voller der Akku, desto eher kam es zum Ausfall. Als Grund hierfür werden in der Regel parasitäre unumkehrbare chemische Reaktionen genannt.
Zunehmend werden jedoch auch im Endverbraucherbereich bessere Li-Ion-Akkus mit längerer Haltbarkeit verkauft. Apple gibt für die in die MacBooks eingebauten Akkus beispielsweise an, dass nach fünf Jahren und 1000 Zyklen immer noch 80 % der Anfangskapazität zur Verfügung stehen. Bei Beachtung der von den schlechten Akkus der ersten Generationen (meist LiCoO2-Akkus) gelernten Anwendungsregeln (Betrieb und Lagerung bei möglichst tiefer Temperatur; Lagerung nur im teilgeladenen Zustand; generell weder ganz geladen noch ganz entladen) dürfte die mit den genannten moderneren Akkus tatsächlich erzielbare Zyklenzahl noch deutlich höher ausfallen.
Es gibt bereits Zellen für Spezialanwendungen, die auch nach mehreren Jahren im Einsatz und mehreren 10.000 Lade- und Entladezyklen nur einen sehr geringen Teil ihrer Kapazität und Leistung verlieren.
Coulomb-Effizienz
typischerweise annähernd 100 %, das heißt, fast der gesamte in den Akku geladene Strom kann diesem auch wieder entnommen werden. Nur während der ersten Zyklen ist die Coulomb-Effizienz geringer, da ein Teil der Li-Ionen mit der Elektrolytlösung an der Anode und Kathode irreversibel unter Ausbildung von Deckschichten reagiert.
Energie-Effizienz
Es kommt zu Spannungsverlust, da sich der Innenwiderstand sowohl beim Laden als auch beim Entladen jeweils dem Stromfluss entgegenstellt. Typische Gesamtwirkungsgrade betragen somit um die 90 %. Werden im Verhältnis zur maximalen Strombelastbarkeit des Akkus besonders kleine Lade- und Entladeströme verwendet, können auch über 98 % erreicht werden.
Material Spannung
LiCoO2 3,6 V
LiMnO2 3,7–3,8 V
LiFePO4 3,3 V
Li2FePO4F 3,6 V
Spannung
Ein konventioneller Lithium-Ionen-Akku liefert eine Nennspannung von 3,6 Volt, die damit rund dreimal so hoch wie die eines Nickel-Metallhydrid-Akkumulators (NiMH-Akku) ist. Die Ladeschlusspannung liegt bei bis zu 4,2 Volt. Die Entladeschlussspannung beträgt 2,5 Volt; eine Tiefentladung führt zu irreversibler Schädigung und Kapazitätsverlust. Die Zellenspannung hängt jedoch vom verwendeten Kathodenmaterial ab und ist daher von Akkutyp zu Akkutyp leicht unterschiedlich.
Material Gravimetrische
Kapazität
LiCoO2 110–190 mAh/g
LiMnO2 110–120 mAh/g
Li2FePO4F 95–140 mAh/g
Leistungsdichte
Die Leistungsdichte liegt typischerweise bei 300–1500 W/kg.

Energiedichte
Die Energiedichte ist mehr als doppelt so hoch wie beispielsweise die des Nickel-Cadmium-Akkumulators und liegt bei 95–190 Wh/kg, beziehungsweise 250–500 Wh/l, je nach verwendeten Materialien. Anwendungen, die eine besonders lange Lebensdauer benötigen, beispielsweise der Einsatz in Elektroautos, laden und entladen den Lithium-Ionen-Akku oft nur teilweise (z. B. von 30 bis 80 % statt von 0 bis 100 %), was die Zahl der möglichen Lade- und Entladezyklen überproportional erhöht, aber die nutzbare Energiedichte entsprechend absenkt.
Hinweise zum Umgang mit Li-Ionen-Akkus

Lithium-Ionen-Akku von VARTA
Wegen der Vielzahl an möglichen Materialien für Anode, Kathode und Separator ist es schwierig, allgemeingültige Aussagen für Lithiumionakkus zu treffen. Die verschiedenen Arten werden von den Herstellern für die verschiedensten Einsatzmöglichkeiten optimiert und unterscheiden sich im Umgang teilweise sehr stark.
Ladung
Die Ladeschlussspannung beträgt typischerweise 4,0 V - 4,2 V. Da Li-Ion-Akkus keinen Memory-Effekt kennen und auch nicht formiert werden müssen, werden sie immer auf die gleiche Art geladen: Zuerst wird mit konstantem Strom geladen, der idealerweise zwischen 0,6 und 1 C liegen sollte. Die Abkürzung C steht hier für den auf die Kapazität bezogenen relativen Ladestrom (d.h. A/Ah) und ist nicht mit der Einheit Coulomb (d.h. As) zu verwechseln; ein Ladestrom von 0,75 C bedeutet, dass ein Akku mit einer Kapazität von 1 Ah mit 0,75 A geladen wird. Erreicht der Akku eine Zellenspannung von 4,2 V, wird diese Spannung gehalten, bis der Ladestrom fast auf Null zurückgefallen ist. Die Ladung wird mit Erreichen von 3 Prozent des Anfangsstroms beendet oder wenn der Ladestrom nicht mehr weiter absinkt. Die Ladeschlussspannung von produktabhängig 4,1 V bis 4,2 V muss mit weniger als 50 mV Toleranz eingehalten werden. Zwar gibt es für kleinere Zellgrößen Schnellladeelektroniken, die mit bis zu 2 C laden, jedoch wird die Verkürzung der Ladezeit durch Kapazitäts- und Lebensdauerverlust des Akkus erkauft. Liegt die Zellenspannung unterhalb der Tiefentladeschwelle, lädt die Ladeelektronik bis zum Erreichen der Mindestspannung zunächst nur mit geringer Stromstärke.
Entladung
Die Spannung des Li-Ion-Akkus sinkt während der Entladung kaum ab. Erst kurz vor der vollständigen Entladung geht die Zellenspannung stark zurück. Entladeschlussspannung ist 2,5 V; diese darf nicht unterschritten werden, sonst wird die Zelle durch irreversible chemische Vorgänge zerstört.
Es ist empfehlenswert, Li-Ionen-Akkus „flach“ zu (ent-)laden, da sich deren Lebensdauer so verlängert. Ein Li-Ionen-Akku darf niemals von 100% Ladezustand auf 0% entladen werden, stattdessen sollten je nach Typ z.B. 70% Entladetiefe angewendet werden. Dies bedeutete, dass der Akku noch 30% Restkapazität enthält, wenn er wieder geladen wird. Einige Hersteller geben mittlerweile die Zyklenlebensdauer in Abhängigkeit von der Entladetiefe (engl. Depth of discharge, DOD) an.
In früheren Veröffentlichungen wird noch auf einen optimalen Entladestrom von 0,2 C (das heißt einem Entladestrom in Höhe von einem Fünftel des Nominalwerts der Nennkapazität in Ah) hingewiesen. Bei einem Akku mit einer Kapazität von 5 Ah wären dies 1 A.
Lagerung /Selbstentladung
Der Akku altert schneller, je höher seine Zellenspannung ist, daher ist es zu vermeiden, einen Li-Ion-Akku ständig 100 Prozent geladen zu halten. Der Ladezustand soll 55–75 % betragen, kühle Lagerung ist vorteilhaft. Ältere Quellen weisen eine Selbstentladung bei 5° Celsius von etwa 1-2% pro Monat, bei 20° Celsius etwa 30% pro Monat aus. Aktuelle Angaben geben eine Selbstentladung von 3%/Monat an. Hersteller empfehlen eine Lagerung bei 15 °C bei einem Ladestand von 60 % – ein Kompromiss zwischen beschleunigter Alterung und Selbstentladung. Ein Akku sollte etwa alle sechs Monate auf 55–75 % nachgeladen werden. Lithium-Ionen-Akkumulatoren dürfen sich auch bei Lagerung nicht unter 2,5 V pro Zelle entladen. Eventuell flüssige oder gelförmige Elektrolyte in der Zelle dürfen nicht gefrieren, was einer Mindesttemperatur um −25 °C entspricht.
(Integrierte) Elektronik
Li-Ion-Akkus reagieren sehr empfindlich auf falsche Behandlung, weshalb dieser Akkutyp zuerst nicht eingesetzt wurde, obwohl er bereits seit den 1980er-Jahren bekannt war. Integrierte Schaltkreise sind sehr preisgünstig geworden; daher können Li-Ion-Akkus heute in Verbindung mit einer Elektronik (BMS = Battery Management and Monitoring System) betrieben werden, was die Sicherheit im Umgang mit diesem Akkutyp erheblich erhöht hat. Bei Akku-Packs kleiner und mittlerer Baugröße ist diese Elektronik meist integriert; sie dient zum Schutz gegen Tiefentladung, Überladung und thermische Überlastung. Eine selbstrückstellende Sicherung verhindert Überstrom beziehungsweise Kurzschluss. Die verwendete Prozessorsteuerung ist auf die Eigenschaften des jeweiligen Akkutyps abgestimmt. Akku-Packs, in denen zur Spannungserhöhung mehrere Zellen in Reihe geschaltet werden, verfügen oft auch über eine Elektronik, die durch sog. „Cell-Balancing“-Ladung und Entladung für jede einzelne Zelle individuell regelt.
Überladung
Bei einem Überladungsversuch wird bei einem Akku mit integrierter Überwachungselektronik die Zelle von den äußeren Kontakten getrennt, bis die zu hohe Spannung nicht mehr anliegt. Danach kann er meist ohne Probleme wieder verwendet werden. Nicht alle auf dem Markt erhältlichen Akkus enthalten eine solche Überwachungselektronik! Bei Überladung verschiedener Li-Ion-Akkus kann sich metallisches Lithium an der Anode ablagern. Das Kathodenmaterial wird dann zum oxidierenden Element und verliert seine Stabilität. Dadurch heizt sich der Akku auf und kann sogar in Brand geraten. Andere Lithium-Ionen-Akkus, wie der LiFePO4-Akku sind thermisch stabil, werden aber bei Überladung ebenfalls irreversibel geschädigt.
Tiefentladung
Bei einer Tiefentladung von Zellen schaltet eine eventuell vorhandene interne Sicherung oder ein BMS den Akku, meist nur temporär, ab. Es liegt dann an den externen Kontakten des Akkupacks überhaupt keine Spannung mehr an, das heißt er kann nicht noch weiter entladen werden. Manche Ladegeräte weigern sich, einen derartig defekt anmutenden Akku wieder zu laden, da in diesem Fall an den externen Kontakten keine Spannung messbar ist. Der Akku wird jedoch von seiner Schutzelektronik wieder an die Kontakte geschaltet, sobald eine äußere Spannung anliegt. In solchen Fällen kann es helfen, ein anderes Ladegerät zu verwenden. Wenn eine Zelle auf unter 1,5 V entladen wurde, sollte sie nicht mehr verwendet werden, denn mit hoher Wahrscheinlichkeit haben sich Brücken ausgebildet, die zu einem Kurzschluss führen. Die Zelle wird instabil und erhitzt sich stark. Es kann Brandgefahr bestehen.
Ladegeräte
Herkömmliche Li-Ionen-Akkus dürfen nur mit einer speziellen Ladeschaltung geladen werden. Die Elektronik steuert den ladungsabhängigen Ladestrom und überwacht insbesondere die exakt einzuhaltende Ladeschlussspannung. Auch bei vorhandener interner Schutzschaltung sollte nur mit passenden Geräten geladen werden. Schnell-Ladegeräte sollten immer unter Aufsicht und möglichst nicht in der Nähe brennbarer Materialien benutzt werden.
Betriebs- und Umgebungstemperatur
Da bei Kälte die chemischen Prozesse (auch die Zersetzung des Akkus bei der Alterung) langsamer ablaufen und die Viskosität der in Li-Zellen verwendeten Elektrolyte stark zunimmt, erhöht sich auch beim Lithium-Ionen-Akku bei Kälte der Innenwiderstand, womit die abgebbare Leistung sinkt. Zudem können evtl. die verwendeten Elektrolyte bei Temperaturen um −25 °C einfrieren. Manche Hersteller geben den Arbeitsbereich mit 0–40 °C an. Optimal sind 18–25 °C. Unter 10 °C kann bei manchen Arten durch den erhöhten Innenwiderstand die Leistung so stark nachlassen, dass sie nicht lange für den Betrieb eines Camcorders oder einer Digitalkamera ausreicht. Es gibt aber Li-Ionen-Akkus mit speziellen Elektrolyten, die bis −54 °C eingesetzt werden können.
Gefahren beim Umgang mit Li-Ionen-Akkus
Bei verschiedenen Li-Ionen-Akkus mit flüssigen oder polymeren Elektrolyten kann es ohne spezielle Schutzmassnahmen zum thermischen Durchgehen kommen. Mit der steigenden Verwendung vor allem preiswerter Akkus mehren sich Meldungen von Überhitzungen. Dies führt zu kostspieligen Rückrufaktionen der Hersteller.. Im Automobilbau kommt es durch besonders hohe Sicherheitsanforderungen auf Grund der hohen installierten Energiemengen teilweise zu Verzögerungen beim Einsatz. So verschob Opel die Auslieferung des Ampera als 3 Wochen nach einem Crashtest eines baugleichen Chevrolet Volt die versuchsweise nicht ausgebaute, voll geladene Batterie überhitzte und zum Fahrzeugbrand führte. Daraufhin wurde das Sicherheitskonzept der Traktionsbatterie überarbeitet. In arbeitswissenschaftlichen Untersuchungen wurde festgestellt, dass der Umgang mit leistungsstarken Energiespeichern auf Lithium-Basis, d. h. deren Fertigung, Einbau, Lagerung, Entsorgung sowie bestimmte Betriebszustände nur geringe Auswirkungen auf den Arbeitsschutz hat. Die Gefahren durch höhere Spannungen und zusätzliche Gefahrstoffe (z. B. Lithium) können durch Anpassung und konsequenten Umsetzung bestehender Sicherheitsanforderungen minimiert werden.
Folgende Risiken sind bekannt:
Mechanische Belastung
Mechanische Beschädigungen können zu inneren Kurzschlüssen führen. Die hohen fließenden Ströme führen zur Erhitzung des Akkus. Gehäuse aus Kunststoff können schmelzen und entflammen. Unter Umständen ist ein mechanischer Defekt nicht unmittelbar zu erkennen. Auch längere Zeit nach dem mechanischen Defekt kann es noch zum inneren Kurzschluss kommen.
Chemische Reaktionen
Lithium ist ein hochreaktives Metall. Zwar liegt es in Lithiumbatterien nur als chemische Verbindung vor, allerdings sind die Komponenten eines Li-Ionen-Akkus oft leicht brennbar. Ausgleichsreaktionen beim Überladen, zum Beispiel die Zersetzung von Wasser zu Knallgas wie bei anderen Akkus, sind nicht möglich. Li-Ionen-Akkus sind hermetisch gekapselt. Dennoch sollten sie nicht in Wasser getaucht werden, insbesondere in voll geladenem Zustand. Brennende Akkus dürfen daher nicht mit Wasser, sondern sollten zum Beispiel mit Sand gelöscht werden. In den meisten Fällen besteht im Falle eines Brandes lediglich die Möglichkeit, auftretende Folgebrände zu löschen und den Akku kontrolliert abbrennen zu lassen. Die Elektrolytlösung ist meist brennbar. Ausgelaufene Elektrolytlösung eines Li-Ionen-Akkus kann fern vom Akku mit Wasser abgewaschen werden.
Thermische Belastung, Brandgefahr
Bei thermischer Belastung kann es bei verschiedenen Lithium-Ionen-Akkus (→LiPo) zum Schmelzen des Separators und damit zu einem inneren Kurzschluss mit schlagartiger Energiefreisetzung (Erhitzung, Entflammung) kommen. Neuartige Akkuentwicklungen (LiFePO4) oder keramische, temperaturbeständigere Separatoren gewähren eine erhöhte Sicherheit, haben sich allerdings noch nicht umfassend durchgesetzt. Interne Schutzschaltungen oder Batterie-Management-System (BMS) mit Temperatursensoren, eine Spannungsüberwachung und Sicherheitsabschaltungen sollen bei Überladung oder Überlastung eine Erhitzung bzw. Entzündung verhindern.
Li-Ionen-Akkus dürfen, wie andere Akkumulatoren auch, nicht kurzgeschlossen werden. Durch Kurzschluss (auch mit Metallschmuck oder Werkzeugen) können durch die hohen Ausgleichströme Feuer oder Verbrennungen verursacht werden.
Ressourcenverbrauch
Je nach Art des Lithium-Akkus werden für eine Kilowattstunde Speicherkapazität etwa 80 Gramm (Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator) bis 130 Gramm (Lithium-Mangan- und Lithium-Cobalt-Akkumulator) reines Lithium benötigt.
Der Massenanteil von Lithium in der Erdkruste ist etwa dreimal höher als z.B. der von Blei. Lithium ist allerdings gleichmäßiger verteilt, es sind nur wenige Lagerstätten mit hohen Lithiumanteilen bekannt. Wegen der Nachfragesteigerung und der damit verbundenen Preissteigerung geht man seit einigen Jahren dazu über, auch Salzseen mit einem geringen Lithiumgehalt (häufig weniger als 0,15 Prozent) für die Lithiumgewinnung zu nutzen. Prominentestes Beispiel ist hierfür die Salar de Uyuni in Bolivien. Lithium, beziehungsweise das häufigste Vorprodukt Lithiumcarbonat, wurde früher meist als Nebenprodukt bei der Gewinnung von Borax und Pottasche gewonnen. Heute wird es meist als Hauptprodukt und nur noch bei der Tantalförderung als Nebenprodukt gewonnen. Der Marktpreis für Lithiumcarbonat liegt derzeit bei etwa 4,50 US-Dollar pro Kilogramm (Stand: 2008).
Die Kosten für die Lithiummineralien spielen für die Kosten der Lithium-Akkus nur eine sehr untergeordnete Rolle. Für die Produktion von Lithium-Akkus wird metallisches Lithium benötigt, dessen Preis je nach Marktlage sehr stark schwankt (ca. 60 USD/kg im Jahr 1998 und ca. 550 USD/kg im Jahr 2008). Metallisches Lithium wird in einem relativ energieaufwendigen Prozess aus Lithiumcarbonat oder anderen Lithiumverbindungen gewonnen, vergleichbar mit der Gewinnung von reinem Silizium aus Sand. Die hohen Kosten des Lithiums beruhen also vor allem auf dem aufwändigen Produktionsprozess selbst.
In einer Studie aus dem Jahr 1975 werden die Kosten für die Extrahierung von Lithium aus Seewasser auf 22 bis 32 US-Dollar pro Kilogramm geschätzt. Selbst wenn man diese Kosten für heute um den Faktor 10 multiplizieren müsste, wird der Preis für metallisches Lithium dadurch sehr viel weniger beeinflusst als durch die wechselnde Nachfrage. Die Menge des in den Ozeanen gelösten Lithiums übersteigt den Bedarf, der durch die vollständige Elektrifizierung des weltweiten Verkehrs entstünde, um viele Größenordnungen. Selbst für die Pufferung von Wind- und Solarstrom aller Stromnetze weltweit wären die Lithiumvorräte weit mehr als ausreichend.
Aktuelle Entwicklungen
Im April 2006 schrieb eine Gruppe von Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology, einen Prozess entwickelt zu haben, der für die Herstellung von Nanometer-großen Drähten Viren verwendet. Damit können ultradünne Lithium-Ionen-Akkus mit der dreifachen der bisher möglichen Energiedichte hergestellt werden.
Im Juni 2006 stellten Forscher aus Frankreich Akku-Elektroden in Nanometer-Größe her, die ein Mehrfaches der Energiedichte im Vergleich zu gewöhnlichen Elektroden besaßen.
Im September 2006 berichteten Forscher der Universität Waterloo in Kanada in der Zeitschrift Nature von einem neuen Kathodenmaterial, bei dem die Hydroxid-Gruppe der Eisenphosphat-Kathode durch Fluorid ersetzt wurde. Dies hat einen doppelten Vorteil: Erstens ergibt sich während eines Ladungszyklus eine geringere Volumenänderung in der Kathode, was eine längere Lebensdauer erwarten lässt. Zweitens erlaubt es den Ersatz des Lithiums durch Natrium beziehungsweise eine Natrium-Lithium-Mischung, weswegen er auch als Alkali-Ionen-Akku bezeichnet wird.
Im Dezember 2007 berichteten Forscher der Stanford University von einem neuen Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Akkus mit dem zehnfachen der bisher erreichten Energiedichte. Sie verwendeten dazu Silizium-Nanodrähte auf rostfreiem Stahl. Es wird die Tatsache genutzt, dass Silizium als Trägermaterial größere Mengen Lithium einlagern kann als Graphit; die geringe Größe der Drähte löst das Problem des Aufbrechens der Anode. Allerdings ist die Anode nur ein Teil des Akkus; bei unveränderter Kathode, Separator und Elektrolyt ist entsprechend nur eine deutlich geringere Gesamtsteigerung der Energiedichte zu erwarten. Der Leiter des Forschungsteams, Yi Cui, erwartet, dass diese Technologie in etwa fünf Jahren kommerziell erhältlich sein wird. Einen ähnlichen Ansatz mit nanoporösem Silicium verfolgt das Team von Jaephil Cho von der Hanyang University in Ansan, Südkorea.
Am 12. März 2009 wurde eine Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Akkus durch die beiden MIT-Forscher Byoungwoo Kang und Gerbrand Ceder veröffentlicht, die sowohl die Lade- als auch die Entladegeschwindigkeit drastisch (10 Sekunden statt 6 Minuten für einen kleinen Test-Akku) erhöht. Die Entwickler erwarten, dass diese Akkus in relativ kurzer Zeit kommerziell verfügbar sein werden, da keine neuen Materialien für die neue Technologie gebraucht werden.
Etwa im Juni 2011 berichteten Forscher der japanischen Firma Sumitomo Electric Industries, dass für den Fall, dass der Ableiter der Kathode, welcher üblicherweise aus Aluminiumfolie besteht, durch den Werkstoff Aluminium-Celmet ersetzt werden würde, dies eine Erhöhung der Akkumulator-Energiedichte um einen Faktor von 1,5 bis 3 ermöglicht.
Lithiumtitanat-Akkumulator
Der Lithiumtitanat-Akkumulator ist eine Weiterentwicklung des Lithium-Ionen-Akkumulators, bei der die herkömmliche Graphitanode durch eine nanostrukturierte Lithiumtitanat-Anode ersetzt wird. Die wesentlich stärkere chemische Bindung des Lithiums im Titanat verhindert die Bildung einer Oberflächenschicht auf der Elektrode, die eine der Hauptgründe für die schnelle Alterung vieler herkömmlicher Li-Ion-Akkus ist. Dadurch wird die Zahl der möglichen Zyklen drastisch erhöht. Dadurch, dass das Titanat nicht mehr mit Oxiden aus der Kathode reagieren kann, wird auch das thermische Durchgehen des Akkus verhindert, selbst bei mechanischen Schäden. Außerdem kann der Akku aufgrund der Lithiumtitanat-Anode im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus auch bei tiefen Temperaturen in einem Temperaturbereich von -40 °C bis +55 °C betrieben werden.
Die Lithiumtitanat-Anode besitzt darüber hinaus eine effektiv wirksame Oberfläche von 100 m2 pro Gramm im Vergleich zu 3 m2 pro Gramm einer Graphitelektrode. Dadurch werden sehr kurze Ladezeiten und eine sehr hohe Leistungsdichte von etwa 4 kW/kg erreicht. Die Energiedichte liegt mit 70–90 Wh/kg hingegen vergleichsweise niedrig.
Lithium-Polymer-Akkumulator
Wie beim Lithium-Ionen-Akku besteht die negative Elektrode aus Graphit, die Positive aus Lithium-Metalloxid. Jedoch enthalten Lithium-Polymer-Akkus keinen flüssigen Elektrolyten, sondern einen auf Polymerbasis, der als feste bis gelartige Folie vorliegt. Die Bauform der Lithium-Polymer-Akkus unterliegt praktisch keinen Beschränkungen.
Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator
Der Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator (LiFePO4-Akkumulator) ist eine Version des Lithium-Ionen-Akkumulators, bei dem die herkömmliche Lithium-Cobaltoxid-Kathode durch eine Lithium-Eisenphosphat-Kathode ersetzt wurde. Dieser Akku zeichnet sich durch hohe Lade- und Entladeströme, eine sehr gute Temperaturstabilität und eine lange Lebensdauer aus. Die Nominalspannung beträgt 3,2 V beziehungsweise 3,3 V, die Energiedichte beträgt 100–120 Wh/kg, die Leistungsdichte etwa 1,8 kW/kg.
Weiterentwicklungen zur Verbesserung der technischen Eigenschaften sind Dotierungen mit Ytrium- (LiFeYPO4) und Schwefelatomen.
Lithium-Luft-Akkumulator
Der Lithium-Luft-Akkumulator ist eine neue Entwicklung durch das IBM Almaden Research Center, in der die Kathode durch Luft ersetzt wird. Als Anode dient metallisches Lithium, das vollständig an der Reaktion teilhaben kann. Da der für die Reaktion benötigte Sauerstoff aus der Umgebungsluft entnommen werden kann, wird die Kapazität einer Lithium-Luft-Zelle alleine durch die Größe der Lithium-Anode bestimmt. Die theoretisch erreichbare Energiedichte liegt, wenn man die Masse des Sauerstoffs nicht berücksichtigt, bei rund 11.000 Wh/kg bei einer Nominalspannung von 2,96 V. IBM geht von einer kommerziell erreichbaren Energiedichte von etwa 1000 Wh/kg aus, nahezu dem zehnfachen der Energiedichte der heute käuflichen Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Am Massachusetts Institute of Technology wurden mit einer Lithium-Luft-Akkumlator mit einer Kohlenstoff Elektrode bereits Energiedichten von bis zu 2500 Wh/kg erreicht. In einer für den maritimen Einsatz gedachten Variante des Lithium-Luft-Akkumulators wird der Sauerstoff aus Meerwasser bereitgestellt.
Bei diesem Akku besteht die Zelle aus vier Lagen, die jeweils eine positive und eine negative Elektrode sowie einen festen Elektrolyten beinhalten. Jede Lage hat 3,6 Volt und ist extra beschichtet, zusammen ergibt sich eine Zellspannung von 14,4 Volt. Die Zellen sind in einem flachen Gehäuse platziert, welches nur eine Größe von 10 x 10 Zentimeter hat. Die Elektroden und Elektrolyte bestehen aus Lithium-Cobalt-Dioxid sowie Graphit und Sulfiden. Ein Vorteil der Lithium-Feststoff-Technologie gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Speichern ist ihre Eigenschaft, schnell Energie aufnehmen und hohe Leistungen verarbeiten zu können. Daraus resultiert im Vergleich zu bisherigen Lösungen letztlich eine höhere Ausgangsleistung.
Im Vergleich zu den Lithium-Ionen-Akkus sind die Lithium-Feststoff-Akkus gekennzeichnet durch ihre Hitzebeständigkeit, so können die Feststoff-Akkus selbst bei Temperaturen um 100 Grad Celsius arbeiten, während Lithium-Ionen-Speicher anfangen zu brennen oder die flüssigen Bestandteile zu kochen beginnen. Ein weiterer Vorteil des Lithium-Feststoff-Akkus ist, dass er keine aufwändige Kühlung erfordert. Daher benötigt man weniger Platz bei gleicher Leistung oder verfügt über mehr Leistung bei gleichem Platzbedarf.

Quelle http://de.wikipedia.org/wiki/Li-Ion


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#2

RE: Li-ion

in FAQ´s 14.04.2012 05:43
von Benny (gelöscht)
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Alles das gleiche wie bei den lipos
Aber sie sind nicht so temperatur anfällig.
Aber meist teurer in der herstellung.


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